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Afundamentos momentâneos de tensão em ASDs erros na avaliação de falhas na operação

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Academic year: 2021

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André Luis Bianchi

João Carlos Vernetti dos Santos2

Resumo

Os afundamentos momentâneos de tensão (Sag) figuram como um dos mais comuns problemas relacionados à qualidade da energia. A previsão do distúrbio, os procedimentos para sanar danos causados e o estudo dos efeitos e causas são tarefas complexas. O presente artigo apresenta experimentos de avaliação de três dispositivos de acionamentos a velocidade variável (ASDs) submetidos a eventos Sag. A partir dos dados coletados, observou-se que os três equipamentos apresentam suscetibilidade ao Sag. Ademais, evidenciaram-se variações de corrente atingindo valores superiores a 300% do valor nominal. Tais variações podem ter ocasionado os desligamentos dos ASDs, devido à atuação dos respectivos sistemas de proteção.

Palavras-chave: afundamentos de tensão, Sag, ASD. Abstract

The momentary sinkings of tension (Voltage Sag) they represent as one of the most common problems related to the quality of the energy. The forecast of the disturbance, procedures to solve caused damages and study of the effects and causes are complex tasks. The present article presents experiments of evaluation of three Adjustable Speed Drivers (ASDs) submitted to events Sag. Starting from the collected data, it was observed that the three equipments are sensitive to the Sag event. Besides, current variations were evidenced reaching superior values to 300% of the nominal value. Such variations might have caused the disconnections of ASDs, due to the performance of the respective protection systems.

Keywords: dip voltage, Sag, ASD.

1 Introdução

O desenvolvimento da indústria, do comércio e da automação de prédios faz com que, a cada dia, mais equi-pamentos eletro-eletrônicos sejam utilizados nos mais diferentes tipos de processos e aplicações. Dentre estes equipamentos eletro-eletrônicos, os acionamentos à velocidade variável, que na literatura técnica também são conhecidos como ASDs (sigla proveniente da expressão em inglês Adjustable Speed Driver), figuram entre os mais utilizados (JESUS, NETO e COGO, 2001).

ASDs são dispositivos que regulam a velocidade

de motores assíncronos alimentados com corrente alter-nada. Esta regulagem é feita de forma eletrônica e assim como qualquer equipamento eletrônico, os ASDs sofrem com os distúrbios ocasionados por variações na tensão de alimentação, sejam eles longos como distorções na forma de onda da tensão, ou curtos como afundamentos momentâneos de tensão (Sag), sobre-tensões momentâ-neas (Swell), tensões transitórias e interrupções.

1.1 Justificativa

Segundo Yalçinkaya, Bollen e Crossley (1998), os maiores causadores de distúrbios de energia elétrica nas indústrias, sejam por comando indevido ou desligamento de equipamentos eletrônicos, são os afundamentos momentâneos de tensão.

Conforme a Operadora Nacional do Sistema – ONS (2007), as variações de tensão de curta duração (VTCD) são de dois tipos distintos: momentâneas e temporárias. A tabela 1 apresenta detalhes desta classificação.

Geralmente, a causa dos Sags está relacionada a acionamento de cargas de grande porte, a curtos-circuitos ou a cortes de energia em algum ponto do sistema, não necessariamente onde ocorre o distúrbio. Conforme Sarmiento e Estrada (1996), eventos que provoquem eventos Sag, com duração de 200ms e amplitude igual ou inferior a 20% do valor nominal de tensão, acarretam desligamento na maioria dos ASDs.

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Fonte: ONS, 2007

Tabela 1 – Classificação das variações de tensão de curta duração VTCD – NOS

Fonte Trifásica Regulável Sistema Gerador deSAG ASD f Registrador de grandezas elétricas Placa de aquisição Computador

Figura 2 – Bancada de experimentos o ã ç a c i f i s s a l C Duração Magnitude o ã s n e T e d a e n â t n e m o M o ã ç a i r a V o ã s n e T e d a e n â t n e m o M o ã ç p u r r e t n I T=3s <0,1p.u. o ã s n e T e d o e n â t n e m o M o t n e m a d n u f A s 3 = T = o l c i c 1 . u . p 9 , 0 a 1 , 0 o ã s n e T e d a e n â t n e m o M o ã ç a v e l E >1,1p.u. o ã s n e T e d a i r á r o p m e T o ã ç a i r a V o ã s n e T e d a i r á r o p m e T o ã ç p u r r e t n I n i m 1 = T = s 3 . u . p 1 , 0 < o ã s n e T e d o i r á r o p m e T o t n e m a d n u f A 0,1a0,9p.u. o ã s n e T e d a i r á r o p m e T o ã ç a v e l E >1,1p.u.

utilizados em elevadores para pessoas. Assim, um desligamento de um equipamento para esta finalidade pode criar uma situação indesejável. Indústrias das áreas de plásticos, de tecidos e de papel são as que mais sofrem com o problema, pois o desligamento indesejado de um ASD em um processo contínuo pode causar perdas significativas na produção, além dos custos relativos ao tempo de interrupção do processo e à retomada da produção (CUNHA e SILVA, 2003).

Segundo Santos e Silva (2003), os eventos Sag podem não ser tão danosos para o processo produtivo quanto uma interrupção de longa duração. Porém, como ocorrem com maior freqüência, é provável que o im-pacto total devido aos Sags seja mais significativo. Os custos de uma interrupção variam de consumidor para consumidor, basicamente em função da dependência do consumidor da eletricidade, do distúrbio elétrico, por sua natureza e instante em que ocorre e do valor monetário da atividade interrompida. Segundo Abreu, Carvalho e Vilas-Boas (1999), no Brasil, prejuízos de-correntes de distúrbios de tensão podem atingir cerca de dois bilhões de dólares ao ano.

A solução para se evitar a ocorrência de um evento

Sag não é trivial, pois há muitos casos distintos devido

à estrutura do sistema e ao causador do evento (YALÇINKAYA, BOLLEN e CROSSLEY, 1998). No entanto, evitando o efeito causado nos ASDs (ou seja, desligamentos não previstos), pode-se obter um ganho em relação às perdas ocasionadas.

1.2 Objetivo

Este trabalho objetiva avaliar a sensibilidade de

ASDs frente à ocorrência de afundamentos

momentâ-neos de tensão.

2 Metodologia

O presente trabalho é desenvolvido de acordo com as etapas a seguir.

– Desenvolvimento do sistema gerador do Sag: para reproduzir os afundamentos de tensão nos ASDs, uti-lizou-se um sistema de controle micro-processado, tendo como base o experimento de McEachern (2004), ilustrado na figura 1.

– Montagem da bancada para experimentos: a bancada de testes inclui uma placa de aquisição de dados com taxa de aquisição de 18kHz; um registrador de grandezas elétricas com 7,6kHz de taxa de aquisição (que é a mínima amostragem recomendada para medição de distúrbios de tensão pelo IEEE); uma fonte regulável de 3kVA; um sistema microprocessado responsável por provocar um evento Sag em qualquer das três fases e no intervalo de tempo desejado; três modelos de ASDs de mesma potência e de fabricantes distintos e, como carga, um motor de indução trifásico com potência de 0,56 kW. A figura 2 ilustra, esquema-ticamente, a bancada montada para os experimentos.

Fonte: McEachern, 2004

Figura 1 – Etapa de potência para criação do Sag

Fonte trifásica variável 0~440V 60Hz Saída para carga e medição L1 F1 F2 F3 L2 L3 R1 R2 R3 Tr1 Tr2 Tr3

– Execução de testes com três modelos de ASDs e aná-lise dos dados: os ensaios foram feitos de acordo com os procedimentos de teste estipulados pela norma IEC 61000-4-11 (BOLLEN, 1997). A partir dos dados obtidos com os testes, são feitas análises comparativas visando identificar pontos de maior suscetibilidade de desligamento devido à ação do sistema de proteção.

(3)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0,02,85,68,311,113, 9 16, 7 19, 4 22, 2 25, 0 27, 8 30, 6 33, 3 36, 1 38, 9 41, 7 44, 4 47, 2 50, 0 52, 8 55, 6 58, 3 61, 1 63, 9 66, 7 69, 5 72, 2 75, 0 77, 8 80, 6 83, 3 86, 1 88, 9 91, 7 94, 5 97, 2 100, 0 tempo [ms] Te nsão [V ] 3 Resultados

No desenvolvimento do sistema gerador do Sag, utilizou-se um kit de desenvolvimento com micro-processador do tipo PIC16F877, sendo o programa computacional desenvolvido em linguagem C. No

hardware, utilizaram-se as saídas digitais para o controle

das chaves estáticas (triacs). Como entradas para o co-mando de disparo, que gera os eventos Sag, foram uti-lizadas chaves mecânicas (botões).

No sistema de controle implementado, o micro-processador de controle faz o desacionamento das chaves estáticas com triacs, criando assim um evento Sag de acordo com o tempo estipulado pelo operador. Os tipos de afundamentos de tensão aplicados aos ASDs são do tipo A (figura 3), onde o distúrbio é aplicado simultaneamente em todas as fases de alimentação do equipamento. Para cada tipo de Sag aplicado, são consi-deradas amplitudes de 90% e 60% e duração de 10 e 25 ciclos.

A etapa de potência, segundo McEachern (2004), utiliza chave estática com triac, ligada a um resistor em paralelo, sendo o conjunto colocado em série com o ASD em todas as três fases de entrada. E, conforme anteriormente exposto, o microcontrolador controla o funcionamento dos triacs de maneira individual.

O sistema de aquisição de dados utilizado foi da empresa National Instruments, composto por uma placa de aquisição DAQCard – 6062E e o software LabView, onde é feito o aplicativo para aquisição dos dados. Também se utilizou um registrador de grandezas elétricas da empresa RMS. O monitoramento através do registra-dor fornece os valores rms dos sinais elétricos, e a pla-ca de aquisição fornece a forma de onda e o perfil do distúrbio aplicado.

Os experimentos são feitos em três modelos de

ASDs de 2,2kW disponíveis no laboratório de máquinas

elétricas da ULBRA, com as seguintes características:

– ASD a – alimentado por tensão trifásica de 380V,

com potência nominal de 2,2kW (3cv);

– ASD b – tensão nominal trifásica de 127V ou

monofásica 220V, também com potência nominal de 2,2kW (3cv);

– ASD c – assim como os demais, este equipamento tem potência de 2,2kW (3cv), e a tensão de alimen-tação é bifásica 127V ou monofásica é 220V. 3.1 Execução dos testes com três modelos de ASDs e análise dos dados

Os ensaios foram iniciados de acordo com os procedimentos de teste da norma IEC 61000-4-11 (BOLLEN, 1997), gerando os Sags do tipo A. Para cada tipo, amplitude e duração de distúrbio, monitoraram-se os valores rms de corrente e tensão do ASD através do analisador de energia (128 amostras por ciclo). A forma de onda da tensão de entrada e o perfil do distúrbio são medidos por meio da placa de aquisição de dados (300 amostras por ciclo).

Os testes efetuados em cada equipamento estão discriminados por ASD. As correntes foram medidas de forma rms, mas são apresentadas sem escala, apenas para se verificar se houve, ou não, alteração no funcio-namento do ASD após o evento Sag. Nas avaliações, pode-se observar uma pequena distorção na tensão medida, justamente no cruzamento por zero; isto ocorre devido ao tempo de chaveamento dos triacs que se desligam com uma corrente inferior a 5mA. Porém este erro não é suficiente para afetar a suscetibilidade do equipamento, uma vez que a corrente da carga é cem vezes maior que a mínima para manter o triac ligado. 3.1.1 Avaliação do ASD a

Os testes efetuados consistem na aplicação de eventos Sag do tipo A, nos tempos de 10 e 25 ciclos, com intervalos de aplicação superiores a dez segundos, conforme recomendação do IEEE (2001).

Os dados obtidos nos experimentos com o ASD

a submetido a Sags são mostrados nas figuras 4 e 5.

Em cada uma destas figuras, há quatro gráficos que apresentam valores instantâneos (8000 amostras) e rms (100 amostras) de tensão. Adicionalmente, nestes mes-mos gráficos, como já mencionado, estão também indi-cados valores sem escala de corrente.

Fonte: Bollen, 1997

(4)

Figura 4 – Sag tipo A com 10 ciclos, aplicado ao ASD a -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 Te nsão [V]

Fase A Fase B Fase C

0 50 100 150 200 250 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 Te nsão [V]

Fase A Fase B Fase C

0 50 100 150 200 250 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

Sag A 60%

tensão instantânea (8000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Sag A 90%

tensão instantânea (8000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Figura 5 – Sag tipo A com 25 ciclos, aplicado ao ASD a

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1 247 493 739 985 1231 1477 1723 1969 2215 2461 2707 2953 3199 3445 3691 3937 4183 4429 4675 4921 5167 5413 5659 5905 6151 6397 6643 6889 7135 7381 7627 7873 8119 8365 861 1 8857 9103 9349 9595 9841 10087 10333 Te nsão [V]

Fase A Fase B Fase C

0 50 100 150 200 250 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te ns ão (V )

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001 12001 Te ns ão [V ]

Fase A Fase B Fase C

0 50 100 150 200 250 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(V) Ib(V) Ic(V)

Sag A 60%

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

(5)

Na figura 4, observa-se que, em todas as situa-ções, o equipamento teve desligamento parcial após o distúrbio e, decorrido um tempo, após o Sag, o acio-namento retomou a velocidade nominal. Entre o desli-gamento e o restabelecimento da velocidade nominal do motor transcorreu um intervalo de cerca de 5 se-gundos. Pode-se, também, observar que há um pico de corrente no instante do evento 25% acima da nominal, o que poderia ter ocasionado acionamento do sistema de proteção.

Visualiza-se pela figura 5 (Sag tipo A 25 ciclos) que ocorreram desligamentos totais nos dois testes. Após cada evento, o ASD a não retomou a velocidade. Isto pode ser observado através das curvas de corrente, em que os níveis ficam bem abaixo daqueles ocorridos antes do distúrbio. A corrente visualizada após o Sag é a corrente de manutenção do ASD.

Nas figuras 4 e 5, observa-se que o ASD a mos-trou-se susceptível aos distúrbios aplicados. No caso de 10 ciclos, houve apenas desligamento momentâneo, retomando a velocidade nominal em seguida. No caso

de 25 ciclos, houve desligamento total do ASD. Nestes casos, observa-se, pelos valores de corrente, que o desli-gamento ocorreu por falha do próprio ASD e não do sistema de proteção.

3.1.2 Avaliação do ASD b

O ASD b não demonstrou deficiência frente aos afundamentos de tensão de 60% e 90% aplicados. Na figura 6, com Sag de 10 ciclos, observam-se variações nos valores da corrente, mas, após o evento, ela nor-maliza.

Na figura 7, pode-se observar que também não houve alteração no funcionamento do ASD b após o Sag. A variação na corrente durante o evento se intensifica, mas retorna ao patamar de funcionamento nominal.

Nas figuras 6 e 7, observa-se que o ASD b não se mostrou suscetível aos distúrbios Sag aplicados. Porém, pelos valores de corrente na figura 7, verifica-se que o pico registrado aproxima-se de um valor 100% maior que a corrente nominal; isto pode acarretar em acio-namento do sistema de proteção elétrica.

Figura 6 – Sag tipo A com 10 ciclos, aplicado ao ASD b

0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te ns ão (V )

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

-300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 Te nsão (V)

Fase A Fase B Fase C

-300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 Te nsão [V]

Fase A Fase B Fase C

Sag A 90%

tensão instantânea (8000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Sag A 60% 0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

(6)

0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Tensão (V)

Va(V) Vb(V) Ia(A) Ib(A) -300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 Te nsão [V] Fase A Fase B 0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Tensão (V)

Va(V) Vb(V) Ia(V) Ib(A) -300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001 Te ns ão [V ] Fase A Fase B

tensão instantânea (8000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Sag A 90%

Figura 7 – Sag tipo A com 25 ciclos, aplicado ao ASD b

Figura 8 – Sag tipo A com 10 ciclos, aplicado ao ASD c 0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001 12001 Te nsão (V)

Fase A Fase B Fase C

0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 Te nsão (V)

Va(V) Vb(V) Vc(V) Ia(A) Ib(A) Ic(A)

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 1 234 467 700 933 116 6 1399 1632 1865 2098 2331 2564 2797 3030 3263 3496 3729 3962 4195 4428 4661 4894 5127 5360 5593 5826 6059 6292 6525 6758 6991 7224 7457 7690 7923 8156 8389 8622 8855 9088 9321 9554 9787 Te ns ão [V ]

Fase A Fase B Fase C

Sag A 60%

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Sag A 90%

Sag A 60%

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do programa) no ensaio com amplitude de 90%. Apesar do pico de corrente ocorrido logo após o Sag, vale res-saltar que o desligamento se deu por problema do ASD

c e não pelo sistema de segurança, uma vez que, após

o Sag, permanece uma corrente de manutenção do ASD. Mesmo sendo ocasionado pela suscetibilidade do próprio ASD, observa-se, na figura 9, que o desligamento poderia ter sido devido ao sistema de proteção elétrica. O pico de corrente sucedido no ensaio foi superior a 300% do valor observado anteriormente ao Sag. Em todos os testes com o ASD c, ocorreram picos de corrente superiores a 100%; o desligamento devido à proteção elétrica poderia ter sido visualizado em qualquer uma das situações de distúrbio.

4 Conclusões

A avaliação de três ASDs submetidos a eventos

Sag demonstrou que cada dispositivo de acionamento

reage ao evento de forma singular.

dos eventos aplicados, ele mostrou-se bastante vulne-rável ao Sag. O ASD b foi o mais estável e o único em que não ocorreram desligamentos. O ASD c apresentou casos de suscetibilidade ao evento Sag. Da mesma forma que no ASD a, não é desejável, pois paradas imprevistas ocasionam prejuízos. Pode-se, também, observar que o ASD c apresentou grande variação nos valores de corrente durante e logo após o evento; isto também foi evidenciado nos outros equipamentos testados, porém a variação no ASD c é mais pronunciada.

Em apenas 16% dos casos avaliados, houve variação inferior a 20% do valor nominal da corrente. Em 41% dos casos, houve variações entre 30% e 100% do valor nominal da corrente. Nos demais ensaios, regis-traram-se variações superiores a 100% logo após o evento

Sag. Isto pode resultar em atuação do sistema de

proteção elétrica, causando a falsa impressão de que o defeito tenha ocorrido em algum equipamento, ao invés da constatação da má qualidade do suprimento de energia.

A realização de ensaios desta natureza contribui para o desenvolvimento e aprimoramento de técnicas para evitar o efeito do distúrbio Sag. É necessária uma avaliação mais criteriosa sobre os efeitos de distúrbios elétricos, provenientes do sistema de alimentação, em

ASDs, devendo-se observar se o desligamento (reset)

do acionamento se deu devido a problemas externos

Figura 9 – Sag tipo A com 25 ciclos, aplicado ao ASD c 0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 T ensão (V)

Va(V) Va(V) Va(V) Va(V)

-300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001 12001 T ensão [V] Fase A Fase B 0 20 40 60 80 100 120 140 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 T ensão (V)

Va(V) Vb(V) Ia(A) Ib(A)

-300 -200 -100 0 100 200 300 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001 12001 13001 14001 Te ns ão [V ] Fase A Fase B Sag A 60%

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

tensão instantânea (12000 pontos) tensão rms (100 pontos)

Sag A 90%

3.1.3 Avaliação do ASD c

Nas figuras 8 e 9, observa-se que o ASD c mostra-se pouco suscetível a Sags de 60% e 90%. Na figura 8, os valores de corrente medidos apresentam variações acima de 100% do valor nominal; isto pode acarretar no acionamento do sistema de proteção.

(8)

Referências

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